Biomécanique du couplage fluide-structures dans les voies aériennes supérieures 

Biomechanics of the coupling between fluid and structures in Upper Airways

Résumé

Les voies aériennes supérieures se caractérisent par une succession de singularités anatomiques et fonctionnelles (naso/oro/hypopharynx) dont le rôle spécifique est de plus en plus mis en évidence chez les patients apnéiques. Par ailleurs, le débit inspiré est fortement altéré dans les hypopnées obstructives sévères et se présente le plus souvent sous forme de plateau à des valeurs de débit très diminuées par rapport à celles de la normale. Les modèles mécaniques proposés dans la littérature pour décrire le couplage entre l’air inspiré et le pharynx ne prennent pas en compte les singularités géométriques et mécaniques et leurs interdépendances possibles entre les différents segments pharyngés. Nous proposons de prendre en compte les singularités pharyngées dans un modèle à plusieurs éléments compliant individualisés, dont un élément situé en aval est contrôlé en pression et un (ou plusieurs) élément(s) libre(s) situé(s) en amont. Les équations de conservation, différentiées par rapport à la pression de contrôle, aboutissent à un système d’équations qui permet de mettre en évidence le rôle fondamental des indexes de vitesse associés à la distensibilité sur les variations de la section d’amont et le débit. Ainsi, le modèle montre que la succession de passages par la condition du point singulier s’avère jouer un rôle fondamental dans l’apparition du plateau de débit qui se présente sous la forme d’une succession rapprochée d’extrema autour d’une valeur (faible) de débit.

Abstract

Upper airways are characterized by a succession of anatomical and functional singularities (naso/oro/hypopharynx) evidenced by a number of studies in patients with Sleep Apnea Syndrom. Moreover, these studies show that the inspiratory flow is strongly limited during periods of severe obstructive hypopnea and most often resemble to a flow plateau at values considerably smaller than those of normal inspirations. Mechanical models proposed in the literature to describe the coupling between the inspiratory flow and the pharynx did not take into account these mechanical and geometrical singularities as well as the possible interdependence between the different pharyngeal segments. The aim of this work is firstly to consider the pharyngeal singularities using a model based on several individualized compliant elements. The downstream element is pressure controlled whereas one (or several) free element(s) are located upstream. Derivation of the conservation equations versus the controlled pressure leads to a system which allows to describe variations of both upstream cross-sectional area and flow. These equations reveal the fundamental role of the speed indexes associated to the distensibility of each segment. The condition corresponding to the singular point has been shown to play a fundamental role in the generation of the flow plateau which actually corresponds to a succession of close maximum and minimum flows around a (small) flow value with multiple passages through the singular point, depending on the number and the properties of free elements.